摘 要： 本设计以单片机C8051F310作为控制核心，同时包含4个模块：电源切换模块、充电控制模块、键盘模块和显示模块。其中电源切换模块能很好地解决该题目提出的任务要求，升降压模块的有效组合保证了在宽电压范围内对电能的有效收集。
关键词： 电能收集充电器 单片机C8051F310 转换集成电路AS2301 LCD 键盘
“电能收集充电器”是“大学生电子设计大赛”中的一个题目，我院在该题目的比赛中取得较好成绩。现把这次竞赛的技术难点和思路总结成文章，希望能对今后同类活动提供经验。
一、题目要求
设计并制作一个电能收集充电器，充电电源E电压在20V至尽可能低的电压区间变化时匀能向3.6V的蓄电池充电，在电源电压大于10V时，充电电源E的内阻R=100Ω。在上条件下的最大充电电流要能达到164mA。
该题目的难点是：（1）电压变化范围宽（1—20V）；（2）电源内阻高（100Ω）。最关键的问题是在宽电压变化的范围内尽可能地提高充电电路的工作效率。自动启动充电功能的电源ES电压也要尽可能低，要求监测和控制电路的功耗要小，达到节能和提高电路工作效率的目的。
二、题目分析
题目要求，电源内阻R=100Ω，电源E在10—20V时，充电电流IC大于（E-E）/（R+R）。并且要求充电器要在尽可能低的电压至20V之间都要能给电池以尽可能大的电流充电。上面公式中，我们分析：在E=20V，R=100Ω条件下，根据功率极值条件，若能使充电电路的输入阻抗也等于100Ω（电源内阻R=R时，在负载R上获得功率最大），在R=R条件下，充电电路的输入电压V=E/2=10V，此时，在充电电路中就可获得最大的输入功率为：
P=［E/（R+R）］×R=［20V/（100Ω+100Ω）］×100=1W
最大电流为：
（E-E）/（R+R）=（20V-3.6V）/（100+0.1）≈0.164A（R为充电电路内阻）
根据以上数据，设电路工作效率为100%，则折算到充电电池的电流值为：
I=P/E=1W/3.6V≈0.28A
上值大于题中要求的0.164A。可见只要能有效地保证电路的工作效率和精确调整充电电路的参数，是可以实现题中要求的。关键是选择好的电路来提高充电电路的工作效率。
三、电路设计
由于充电电路要工作在1-20V的宽电压范围内，一般电路都无法胜任。据此我们通过反复实验后确定，将基本充电电路分成高压充电和低压充电两大部分。高压充电电路采用CD—CD转换集成电路MC34063，该电路有较宽的电压适应范围和较高的工作效率，我们设计的电路让其工作在10—20V的范围，该部分的电路基本按MC34063的标准电路设计，主要特点是在电路中加强了电流负反馈，让电路从恒压特性向恒流特性转化。并仔细调整了电路的工作状态。当然，实际电路的工作效率不可能达到100%。我们的电路经过调整，实际的充电电流可达到0.174A以上，实际效率达62%。该部分电路根据电源E的大小，由单片机自动切换确定是否投入工作。切换点电压为10V。切换电路由Q1—Q4及周围电路组成。
当电源E电压小于10V时，单片机自动将电路切换到低压充电电路，这部分电路是由DC—DC转换集成电路AS2301组成。该电路的主要特点是可以转换低电压，转换效率高。经我们调试，E最低在0.8V时还能向电池充电。为保护电路安全，我们给这部分电路的输入端加上了输入电压检测和过压保护电路。在接入上电路后，E最低可在1.1V时向电池充电。由于该芯片功率较小，为防止充电电池短路或电压异常而造成电路损坏，给该电路的输出端加上了电池过压和短路保护电路。电路由Q5—Q7及周围电路组成。另外，为给因过放电而电压偏低的电池也能充电，电路还设置了涓流充电电路。该部分电路由D6、R11电路组成，当单片机检测到电池电压过低时，关断Q7场效应管，充电电路改由经D6、R11向电池先以小电流充电，待电池两端建立起接近3.6V的电压时，再接通Q7场效应管，用大电流充电。在一分钟内检测电池无法建立3V以上电压时，认为电池损坏或输出端短路，在单片机控制下停止充电。该电路有效地防止了被充电电池损坏或输出电路的短路。
四、发挥部分的设计
该充电器的电路及操作均由单片机控制，单片机选用C8051F310模块，该模块有主要配置有4个8位I/O口和1个6位I/O口，4个定时器，16K程序存储器，集成了A/D转换，并含有增强型串行外设接口（SPI0），等等。用在该系统绰绰有余，而且价格低廉。单片机对电路的各个开关量及电路的工作状态及进程进行控制，对电路的电压、电流等模拟量通过小功耗的液晶显示器进行显示。为节省能源，提高效率，系统采用间歇工作方式，每隔1秒钟采集一次数据，用按键控制液晶显示器上的背光灯，按一次亮3秒钟。
单片机的简要工作过程为：当接通电源开关后，单片机先完成初始化，之后点亮液晶显示器，并显示“2009全国大学生电子设计竞赛电能收集充电器”等字样。按“开始”键后首先检测充电端电压是否符合充电要求，如果电压大于3.6V，则停止充电。电压在3.0—3.6V之间，接通Q7，电路正常充电。电压低于3.0V，Q7保持截止，先经D6、R11给电池小电流充电，连续检测1分钟后电池两端电压若恢复正常则接通Q7充电，否则认为电池已损坏或电池回路存在短路，关断系统，不再充电，并在屏幕上给出相应提示。按“停止”键返回开始状态。等换上好电池或排除短路后重新上电。
在充电过程中，单片机以1秒的间隔间歇采集充电系统的电压、电流等各种数据，数据可显示在液晶屏幕上。如看不清，则可按下面板上的“背光”键，增加显示亮度。此外，单片机还对输入、输出端的工作情况不断监测，如有异常，或想停止充电时。可以随时按下“停止”键，手工停止充电。
五、系统硬件设计方框图
系统硬件电路方框图如下（包括基本充电电路和单片机控制电路两大部分）：
六、程序总体流程图
程序总流程图如下，包括主程序和显示电路子程序两部分。
八、测试结果及分析
1.在给定内阻Rs=100Ω时，能向电池充电的Es最小值为8.5V。
2.从0逐渐升高时，能自动启动充电功能的Es最小值为8.5V。
3.Es降低到不能向电池充电时，电池向充电电路的放电电流为0mA。
4.在Rs=1Ω，Es=1.2V—3.6V时，向电池充电的电流最大能达到5mA。能向电池充电的Es最低电压为1.1V。
由于该系统采用单片机监测和控制电路，故对Es电压检测，高低压电路自动切换，过压、过流保护，充电参数显示均同时进行。每隔1秒钟采集一次数据。根据数据做出相应处理，较好地完成了题目的任务要求。
限于篇幅，电路原理图省略，有兴趣的读者可与作者联系。